紅外偏振成像系統(tǒng)的成像條件分析

周彥卿，張 衛(wèi)，顧靜良，鄒 凱，余鴻銘

(1．中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽621900;2．中國工程物理研究院研究生部，四川綿陽621900)

1 引言

偏振成像是近20年來發(fā)展比較迅速的一種成像新機(jī)制，它檢測目標(biāo)反射光中的偏振信息，并用圖像將檢測結(jié)果表現(xiàn)出來。它常被用于金屬目標(biāo)、人造目標(biāo)以及小溫差目標(biāo)的檢測。根據(jù)國外的研究成果，綠色植被的熱紅外偏振度大約為0．5%;巖石與沙土約為1%;瀝青混凝土公路約為 1．7% ～3．4%［1］;水體約為8% ～10%［2］;金屬的紅外偏振度大約為2% ～7%［3－4］;由以上數(shù)據(jù)，金屬與大多數(shù)自然背景的熱紅外偏振度存在著可分辨的差異。

相比傳統(tǒng)的紅外成像，偏振成像在獲取的光波信息、探測方式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面有著較大的不同。偏振成像檢測光波中的偏振信息，而非光波的振幅，故可用來探測小溫差目標(biāo);偏振成像一般需要采集多幅圖像進(jìn)行解算，在實(shí)時(shí)性方面比傳統(tǒng)紅外成像差;偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程化難度大。如何將偏振成像技術(shù)與紅外成像技術(shù)很好地結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，是未來目標(biāo)搜索技術(shù)的一個(gè)趨勢。

本文將針對(duì)中波紅外(3～5μm)及長波紅外(8～12μm)的偏振成像系統(tǒng)，研究不同成像條件對(duì)于系統(tǒng)成像效果的影響。

2 偏振產(chǎn)生的原理

目標(biāo)的紅外偏振信息來源于兩個(gè)部分:一是光波經(jīng)過目標(biāo)表面反射產(chǎn)生的偏振信息，可以用菲涅爾反射定理進(jìn)行描述;二是目標(biāo)本身的自發(fā)輻射的偏振信息，可以通過普朗克黑體輻射定律和基爾霍夫輻射理論進(jìn)行描述。

2．1 菲涅爾反射定理對(duì)于偏振的描述

由菲涅爾反射定理，非偏振光從介質(zhì)分界面反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分偏振光。菲涅爾公式如下:

式(1)、(2)中，rs，rp是表示S波和P波的振幅反射系數(shù);n表示介質(zhì)的折射率;μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率;θ1，θ2分別表示入射角和折射角。公式反映出偏振光的產(chǎn)生與介質(zhì)本身的折射率、磁導(dǎo)率，入射角有關(guān)，若兩種介質(zhì)都為電介質(zhì)時(shí)有μ1=μ2，則rs，rp計(jì)算式如下:

隨著入射角的變化，反射光中的S分量的強(qiáng)度與P分量的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這就導(dǎo)致了光的偏振。由菲涅爾反射定律可以推出，當(dāng)入射角等于布儒斯特角時(shí)，反射光的線偏振程度最高。

2．2 紅外輻射的偏振

根據(jù)基爾霍夫定律和普朗克輻射定律，紅外輻射亦能產(chǎn)生偏振。熱輻射偏振可描述為:

式(5)中，I是物體輻射的總能量;P(Tm，λ)是物體輻射的單色波能量，與物體的溫度Tm有關(guān);Ibgd(θ)為背景輻射;εp(θ)為輻射率;ρp(θ)為反射率。

由式(5)可知，熱輻射的偏振由兩部分組成:自發(fā)輻射偏振和反射輻射偏振。自發(fā)輻射的偏振度與物體的溫度和觀測的波長有關(guān);反射輻射的偏振度主要和反射率ρ(θ)有關(guān)，而目標(biāo)的表面粗糙度將會(huì)影響光的反射和散射，繼而影響到反射輻射偏振度;目標(biāo)材質(zhì)不同將導(dǎo)致電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的不同，繼而影響反射輻射的偏振度。

2．3 斯托克斯矢量法

斯托克斯矢量法是常用的描述目標(biāo)偏振態(tài)的手段［5］，它定義了4 個(gè)參量:S0～ S3。

S0=I(0)+I(90)S1=I(0)－I(90)

S2=I(45)－I(135)

S3=Il－Ir(6)

式(6)中，I(α)表示偏振方向?yàn)棣習(xí)r的光強(qiáng)，α表示偏振片的透光軸與參考方向(一般為水平方向)的夾角，單位為度。S3反映了圓偏振的方向，在自然光環(huán)境下，S3極小，可忽略，故可令S3=0［6］。此時(shí)，偏振角θ和偏振度P為:

3 影響偏振態(tài)的因素

入射角、觀測波段、目標(biāo)材質(zhì)及溫度將影響目標(biāo)的紅外偏振度;另外，入射光強(qiáng)，目標(biāo)表面粗糙度也將間接影響熱輻射的偏振度。

3．1 入射角對(duì)反射輻射偏振的影響

根據(jù)式(3)、式(4)，選取一定的折射率，使用matlab對(duì)不同入射角時(shí)的反射率進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 折射率為1．1時(shí)不同入射角的反射率Fig．1 Reflectivity of different incidence angleswith n=1．1

圖2 折射率為1．5時(shí)不同入射角的反射率Fig．2 Reflectivity of different incidence angleswith n=1．5

圖3 折射率為3時(shí)不同入射角的反射率Fig．3 Reflectivity of different incidence angles with n=3

圖1 至圖3分別選取了1．1、1．5和3這三個(gè)不同的折射率，對(duì)入射角從0°到90°時(shí)P波及S波的反射率變化進(jìn)行了仿真。由圖可知:

第一，當(dāng)入射角等于布儒斯特角θB時(shí)，P波反射率Rp=0，即此時(shí)的反射光為全偏振光，線偏振程度最大。

第二，S波與P波反射率之差Rs－Rp并不在布儒斯特角時(shí)達(dá)到最大，而往往在70°～90°之間，Rs－Rp反映了偏振光總量，這意味著偏振光強(qiáng)度最大時(shí)，入射角不等于布儒斯特角θB。

另外，反射輻射的偏振受環(huán)境輻射強(qiáng)度的影響。入射光強(qiáng)越小，反射光強(qiáng)越小，其中的偏振光強(qiáng)度也就越小。

3．2 目標(biāo)材質(zhì)對(duì)偏振態(tài)的影響

目標(biāo)材質(zhì)直接決定了折射率和磁導(dǎo)率。若只考慮折射率的影響，如圖1所示，當(dāng)兩種介質(zhì)的折射率比值n接近1時(shí)，Rs－Rp很小，偏振不明顯;當(dāng)n漸漸增大，Rs－Rp的最大值越來越大，這意味著n越大，偏振現(xiàn)象越容易被觀測。

3．3 觀測波段對(duì)偏振成像的影響

根據(jù)式(5)，波長影響目標(biāo)的自發(fā)輻射，繼而影響到目標(biāo)的紅外偏振態(tài);根據(jù)太陽光譜和大氣吸收譜線，自然光中的長波紅外輻射較少，故長波紅外波段的目標(biāo)偏振特性主要由自發(fā)輻射決定，而中波紅外波段目標(biāo)的偏振特性由反射輻射偏振特性和自發(fā)輻射偏振特性兩部分構(gòu)成。

另外，波長還對(duì)金屬的折射率有影響，同時(shí)，不同的觀測波長對(duì)不同的目標(biāo)具有敏感性。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4．1 偏振態(tài)的測量方案

斯托克斯矢量法計(jì)算偏振度和偏振角時(shí)需要4個(gè)偏振方向的光強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)針對(duì)的是靜態(tài)目標(biāo)，可選擇簡單的單CCD方案，系統(tǒng)原理圖如圖4所示，自然光由目標(biāo)反射后，經(jīng)過偏振片，變成線偏振光，再經(jīng)過相機(jī)鏡頭到達(dá)紅外傳感器上。成像系統(tǒng)的偏振片選擇了BaF2為基底的金屬絲柵偏振片，作用波段2～30μm，消光比為300∶1;紅外相機(jī)選擇了制冷型中波和長波紅外相機(jī)，工作波段分別為 3～5 μm，7．7～9．3 μm，分辨率為320×240。測量時(shí)，旋轉(zhuǎn)偏振片至0°，45°，90°，135°分別成像，即可解算出目標(biāo)的偏振信息。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig．4 The principle scheme of the infrared polarization system

4．2 不同入射角時(shí)的中波紅外偏振成像實(shí)驗(yàn)

3．1節(jié)對(duì)反射輻射S波與P波的反射率進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)入射角為布儒斯特角時(shí)，偏振光強(qiáng)度不是最大，即所觀測到的偏振現(xiàn)象不是最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)選擇一塊折射率為1．5的光滑鐵板作為目標(biāo)，在日光環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行不同入射角的中波紅外偏振成像，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同入射角時(shí)的光滑鐵板偏振度圖像Fig．5 The result of infrared polarization imaging on iron board with different angles of incidence

由圖5可見，入射角增加到60°后，偏振度圖像中目標(biāo)鐵板開始顯現(xiàn);當(dāng)入射角增加到70°～80°時(shí)，目標(biāo)鐵板的灰度較高。

表1將從平均灰度以及對(duì)比度兩個(gè)方面來分析。目標(biāo)與背景的對(duì)比度定義為:

式中，C是對(duì)比度;fT，fB分別表示目標(biāo)區(qū)域的平均灰度和背景的平均灰度。

表1 多角度偏振度圖像分析Tab．1 Analysis of DOP images of different angles

由表1，偏振度圖像在入射角為80°時(shí)的平均灰度和對(duì)比度最高，這符合之前的理論仿真結(jié)果:當(dāng)折射率n=1．5時(shí)，目標(biāo)的起偏角為布儒斯特角，約 56．3°，此角度的線偏振程度最高;當(dāng)入射角增加到78°時(shí)，可觀測的偏振現(xiàn)象最明顯，偏振圖像的亮度最高。

4．3 不同入射光強(qiáng)時(shí)的偏振成像實(shí)驗(yàn)

由式(5)，背景輻射的強(qiáng)弱會(huì)影響反射輻射的偏振度。實(shí)驗(yàn)選擇在自然光環(huán)境及弱光環(huán)境中的光滑目標(biāo)鐵板進(jìn)行中波紅外偏振成像。入射角選為70°，以排除入射角對(duì)偏振成像效果的影響;自然光環(huán)境指晴天日光環(huán)境，弱光環(huán)境指光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的密室低光環(huán)境。如圖6所示。

由圖6，畫圈處為目標(biāo)鐵板，在其他實(shí)驗(yàn)條件一致時(shí)，自然光環(huán)境的目標(biāo)偏振度高于弱光環(huán)境的目標(biāo)偏振度。根據(jù)反射輻射的偏振原理，各偏振方向的入射光在介質(zhì)表面發(fā)生反射時(shí)，P光與S光的反射率變化導(dǎo)致了偏振現(xiàn)象的產(chǎn)生，環(huán)境光強(qiáng)越大，反射光強(qiáng)度越大，偏振越容易被觀察到。

4．4 不同粗糙度、不同觀測波長的成像對(duì)比

目標(biāo)表面的粗糙度直接影響了目標(biāo)對(duì)環(huán)境輻射的散射程度和反射率，從而影響到目標(biāo)的反射輻射偏振度。越粗糙的表面，散射越嚴(yán)重，偏振越不明顯。

前文3．3節(jié)已經(jīng)分析了觀測波段對(duì)紅外偏振成像的影響。由于長波紅外波段的目標(biāo)偏振特性中，反射輻射成分比中波紅外波段少，故中波紅外偏振成像的強(qiáng)度更高。

另外，不同觀測波段對(duì)不同目標(biāo)的敏感度不同，用途亦有區(qū)別。中波紅外主要用于各種熱分析和煙霧穿透，而長波紅外用于植被分析、氣體檢測、礦物識(shí)別等［8］。對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖7所示。

圖7 長波與中波紅外偏振成像對(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig．7 Long－wave and medium－wave infrared polarization imaging

由圖7可以看出，圖7(b)的目標(biāo)鐵板中波紅外偏振度高于圖7(a)長波紅外偏振度，這印證了長波紅外波段的目標(biāo)偏振特性主要由自發(fā)輻射構(gòu)成，而中波紅外波段的目標(biāo)偏振特性由反射輻射和自發(fā)輻射兩部分構(gòu)成。

由圖7(b)，畫圈處是一塊表面涂有紅外偽裝涂層的磨砂狀的材料，它的偏振度低于旁邊的光滑鐵板，證明目標(biāo)表面粗糙度對(duì)反射偏振度的影響極大。

5 結(jié)論

通過對(duì)紅外偏振成像技術(shù)的理論分析仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，偏振成像效果最佳的入射角不一定是目標(biāo)的布儒斯特角，入射角為布儒斯特角時(shí)，將發(fā)生全偏振，即反射光中只有S波，且布儒斯特角作為起偏角，只有入射角大于它時(shí)，才能觀測到較明顯的偏振現(xiàn)象;足夠的環(huán)境光強(qiáng)、目標(biāo)表面的粗糙度直接影響到反射輻射的偏振;不同的觀測波長反映出目標(biāo)不同的偏振特性;總的來說，紅外偏振成像技術(shù)體現(xiàn)出了它在分離目標(biāo)與背景上的優(yōu)勢，尤其是金屬目標(biāo)，在偽裝探測等方面很有應(yīng)用前景［8］;同時(shí)，作為一項(xiàng)新興的成像技術(shù)，它還有很多不利于工程化的地方需要改進(jìn)和克服。

［1］ Ben Dor B，Oppenheim U P．Polarization properties of targets and backgrounds in the infrared［C］．Proc SPIE，1992:68－76．

［2］ Joseph A Shaw．Infrared polarization in the natural Earth environment［C］．Proc SPIE，2002，4819:129 －138．

［3］ Aron Y，Grunau Y．Polarization in the LWIR［C］．Proc SPIE，2005，5783:653 －661．

［4］ ZHANG Chaoyang，CHENG Haifeng，CHEN Zhaohui，et al．Polarimetric imaging of camouflage screen in visible and infrared wave band［J］．Infrared and Laser Engineering，2011，35(3):424 －427．(in Chinese)張朝陽，程海峰，陳朝輝，等．偽裝遮障的光學(xué)與紅外偏振成像［J］．紅外與激光工程，2011，35(3):424－427．

［5］ SHENG Xinzhi，LIU Qi，GAO Kaiqiang，et al．Direct processing of several description for light’s polarization［M］．Beijing:Tsinghua University Press，2002:215 －245．(in Chinese)盛新志，劉琦，高凱強(qiáng)，等．光偏振態(tài)幾種描述方式內(nèi)在聯(lián)系的直觀處理［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2002:215－245．

［6］ CHENWeili，WANG Xia，JINWeiqi，et al．Experiment of target detection based onmedium infrared polarization imaging［J］．Infrared and Laser Engineering，2011，40(1):7 －11．(in Chinese)陳偉力，王霞，金偉其，等．采用中波紅外偏振成像的目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)［J］．紅外與激光工程，2011，40(1):7－11．

［7］ XU Canjun，ZHAO Jingsong，et al．Several schemes of infrared polarization imaging［J］．Infrared Technology，2009，31:262 －266．(in Chinese)徐參軍，趙勁松，等．紅外偏振成像的幾種技術(shù)方案［J］．紅外技術(shù)，2009，31:262 －266．

［8］ ZHAO Yongqiang，PAN Quan，CHEN Yongmei．Imaging spectropol－arimetric remote sensing and application［M］．Beijing:National Defense Industry Press，2011．(in Chinese)趙永強(qiáng)，潘泉，程詠梅．成像偏振光譜遙感及應(yīng)用［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2011．